[0001] Die Erfindung betrifft einen Kugelhahn mit einer Schaltkugel zum wahlweisen Sperren
oder Freigeben eines fluidführenden Weges innerhalb eines Ventilgehäuses, in dem die
Schaltkugel über ein Dichtsystem drehbar geführt und mittels einer Schaltspindel betätigbar
ist, die das Ventilgehäuse durchgreift, und die über ein weiteres Dichtsystem gleichfalls
drehbar im Ventilgehäuse geführt ist. Kugelhähne haben grundsätzlich einen weiten
Anwendungsbereich und werden in fast allen Industriezweigen eingesetzt. Sie zeichnen
sich durch eine kompakte Bauweise, leichte Schaltbarkeit, auch unter hohen Drücken,
geringe Umschaltkräfte sowie in der Regel leicht auswechselbare Dichtungen aus. Sie
sind geeignet für hohe, pulsierende Drücke und leckölfreie Abdichtungen.
[0002] Kugelhähne sind meist nach dem Prinzip der schwimmenden Kugel konstruiert, d.h. die
Schaltkugel gleitet freitragend zwischen durch den Fluidstrom hohen Druckes vorgespannten
Dichtungen eines Dichtsystems aus Kunststoff. Durch den Fluidstrom wird die Schaltkugel
stets an die derart druckabgewandte Dichtung gedrückt, wodurch ein Anpreßdruck entsteht,
der die Dauerdichtheit des Kugelhahns unterstützt. Die Schaltkugel selbst wird durch
eine über ein weiteres Dichtsystem gleichfalls abgedichtete Schaltspindel betätigt,
an deren aus dem Ventilgehäuse herausragendem Teil häufig ein Mehrkant angeordnet
ist, der dem Angriff einer Betätigungseinrichtung dient, wobei diese aus einem Handhebel
gebildet sein kann, aber auch aus einem Antriebsmotor, beispielsweise in Form eines
pneumatischen Antriebes. Bei den bekannten Lösungen begrenzen ein Anschlagstift und
eine Anschlagscheibe häufig die Schaltstellung des Kugelhahns im Ventilgehäuse.
[0003] Als Bauarten von Kugelhähnen kommen solche für Niederdruck- und solche für Hochdruckanwendungen
in Frage, entweder in der Art einer Einweg- oder einer Mehrweg-Fluidführung, wobei
der fluidführende Durchgang innerhalb des Ventilgehäuses bei einer Mehrweggestaltung
über eine sog. L- oder T-Bohrung in der Schaltkugel realisiert ist.
[0004] Werden dahingehende Kugelhähne mit einer hohen Schaltfrequenz, jedoch mit niederen
Einsatzdrücken verwendet, kommt es an dem Dichtsystem der Schaltspindelbetätigung,
das regelmäßig aus O-Dichtringen mit Abstützringen aufgebaut ist, zu einem erhöhten
Abrieb an den O-Dichtringen, so dass diese die mechanische Vorspannung verlieren und
undicht werden. Selbst wenn man eine Vielzahl von O-Dichtringen in paketweiser Hintereinanderanordnung
entlang der Schaltspindel plaziert, verlängert sich die Standzeit nur geringfügig,
da der Verschleiß durch die Bewegung der Schaltspindel und die mechanische Vorspannung
nach wie vor im wesentlichen bestimmt wird. Da das bekannte Dichtsystem mit O-Dichtringen
für die Schaltspindel auch im Grunde als Teil der Lagerung für die Antriebsspindel
anzusehen ist, ist diese auch insoweit entsprechend hoch belastet.
[0005] Aber auch bei der Kugelabdichtung selbst kommt es bei Standardkugelhähnen mit hoher
Schaltfrequenz zu Problemen. Bei den bekannten Lösungen ist die Schaltkugel zwischen
zwei Dichtschalen aufgenommen und bei hohen Drücken des Fluidstromes dichtet sich
der Kugelhahn aufgrund der zwischen den Dichtschalen schwimmend gelagerten Schaltkugel
selbst ab, so dass an sich hohe, den Verschleiß begünstigende Schaltfrequenzen für
die Schaltkugel nicht schädlich sind. Treten jedoch noch zusätzlich niedrige Fluiddrücke
auf, reduziert sich die beschriebene Selbstabdichtung für die Schaltkugel und die
Dichtschalen werden aufgrund des Verschleißes, bedingt durch hohe Schaltfrequenzen,
undicht.
[0006] Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
unter Beibehalten der Vorteile, die bekannten Kugelhahnkonstruktionen dergestalt weiter
zu verbessern, dass insbesondere auch bei hohen Schaltfrequenzen der Schaltkugel und
niedrigen Fluiddrücken die Dichtheit des Kugelhahnes gewährleistet ist. Des weiteren
soll die dahingehende Lösung kostengünstig in der Herstellung und auch in der Wartung
montagefreundlich sein. Eine dahingehende Aufgabe löst ein Kugelhahn mit den Merkmalen
des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.
[0007] Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 das weitere Dichtsystem
für die Schaltspindel mindestens eine Lippendichtung aufweist, die die Schaltspindel
umfaßt, wird die Spindelabdichtung nunmehr nicht mehr über konventionelle O-Dichtringe
realisiert, sondern über ein Lippendichtringsystem, wobei die dahingehend eingesetzte
Lippendichtung nur eine geringe Vorpressung benötigt, um sicher abdichten zu können,
wobei die Dichtvorpressung bei Druck sich noch weiter erhöht. Da die jeweilige Lippendichtung
trotz geringen Vorpreßdruckes bereits eine hohe Dichtwirkung erreicht, ist der Verschleiß
dieser Dichtung ausgesprochen gering und die geforderte Lebensdauer wird auch bei
sehr hohen Schaltfrequenzen an der Schaltspindel erreicht. Dergestalt läßt sich der
Kugelhahn dann auch in Meerwasser-Entsalzungsanlagen zum Einsatz bringen, wo für den
Kugelhahn sehr hohe Schalt- und Betätigungsfrequenzen gefordert sind.
[0008] Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kugelhahnes ist darüber
hinaus vorgesehen, dass die Schaltspindel an ihrem der Schaltkugel abgewandten Ende
in einem axial abstützenden Rollenlager drehbar geführt ist. Aufgrund des genannten
Rollenlagers braucht das Dichtsystem der Schaltspindel nicht wie bei den bekannten
Lösungen mit den O-Dichtringen in axialer Richtung den Verschleiß des Dichtsystems
erhöhende Abstützkräfte aufbauen, sondern diese werden bei der erfindungsgemäßen Lösung
im wesentlichen durch das Rollenlager kompensiert. Auch hat sich das dahingehend axial
abstützende Rollenlager als besonders geeignet erwiesen, sofern die wesentlichen Ventilteile
aus Edelstahl bestehen; ein Erfordernis, wie es sich aus dem Betrieb des Kugelhahnes
bei Meerwasser-Entsalzungsanlagen ergibt, bei denen das hoch korrosiv wirkende Salzwasser
als Fluid durch den Kugelhahn geleitet werden muß.
[0009] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kugelhahnes
weist das Dichtsystem der Schaltkugel mindestens zwei Dichtschalen auf, von denen
mindestens eine mittels eines Energiespeichers, insbesondere in Form eines Federspeichers,
gegen die Schaltkugel in jeder ihrer Schaltstellungen gedrückt ist. Aufgrund der Selbstdichtwirkung
des Kugelhahnes zwischen den beiden Dichtschalen über die schwimmend angeordnete Schaltkugel
wird im Falle des Verschleißes der Dichtschalen bedingt durch die hohe Schaltfrequenz
jedenfalls mindestens eine der Dichtschalen über den Energiespeicher der Schaltkugel
nachgeführt und an diese gedrückt, so dass selbst bei niedrigen Fluiddrücken und hohem
Verschleiß die Dichtwirkung an der Schaltkugel in vollem Umfang erhalten bleibt.
[0010] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der sonstigen Unteransprüche.
[0011] Im folgenden wird der erfindungsgemäße Kugelhahn anhand eines Ausführungsbeispiels
nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher
Darstellung die
- Fig.1
- einen Längsschnitt durch einen Kugelhahn, wie er im Stand der Technik bekannt ist;
- Fig.2
- einen teilweise der Fig. 1 entsprechenden Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen
Kugelhahn.
[0012] De Kugelhahn, wie er im Stand der Technik nach der Fig.1 bekannt ist, weist eine
Schaltkugel 10 auf zum wahlweisen Sperren oder Freigeben eines fluidführenden Weges
12 innerhalb eines Ventilgehäuses 14. In Blickrichtung auf die Fig.1 gesehen sind
rechts und links von dem zentralen Ventilgehäuse 14 in der Art von Einschraubteilen
zwei Anschlußstücke 16 vorhanden, die der Zu- und der Abfuhr des Fluidstromes dienen,
wobei die beiden Anschlußstücke 16 über innen liegende Verschraubungsstrecken an fluidführende
Rohrleitungen eines Gesamt-Fluidsystems anschließbar sind, beispielsweise in Form
einer hydraulisch arbeitenden Bearbeitungsmaschine, aber auch an Fluidanlagen jedweder
Art, beispielsweise in Form einer Meeres-Entsalzungsanlage (nicht dargestellt).
[0013] Des weiteren ist in der Fig.1 die Schaltkugel 10 in ihrer den fluidführenden Weg
12 freigebenden Schaltstellung gezeigt, bei der ein Durchlaßkanal 18 der Schaltkugel
10 in fluidführender Deckung ist mit den Kanalteilen 20 der beiden Anschlußstücke
16. Die Schaltkugel 10 ist in dem Ventilgehäuse 14 über ein erstes Dichtsystem 22
drehbar geführt und hierfür mittels einer Schaltspindel 24 betätigbar. Diese Schaltspindel
24 steht mit ihrer Längsachse 26 senkrecht auf dem fluidführenden Weg 12 mit seiner
Längsachse 28. Die dahingehende Schaltspindel 24 ist über ein weiteres Dichtsystem
30, bestehend aus einem O-Dichtring 32 aus einem Elastomerwerkstoff und einem Abstützring
34 aus Kunststoffmaterial, gleichfalls drehbar im Ventilgehäuse 14 geführt. Das dahingehende
weitere Dichtsystem 30 erstreckt sich hierbei zwischen zwei flanschartigen Verbreiterungen
36 der Schaltspindel 24.
[0014] In Blickrichtung auf die Fig.1 gesehen weist die Schaltspindel 24 an ihrem oberen
Ende einen Vierkant 38 auf, der dem Angriff eines Betätigungswerkzeuges, beispielsweise
in Form eines Handhebels (nicht dargestellt) dient. Am gegenüberliegenden Ende verjüngt
sich die Schaltspindel 24 in einen Eingriffssteg 40, der formschlüssig in einen Eingriffsschlitz
42 der Schaltkugel 10 mündet. Zwischen Eingriffssteg 40 und der unteren Flanschverbreiterung
36 ist an der Schaltspindel 24 eine im Durchmesser verbreiterte Stufe 44 angeordnet,
die das Ventilgehäuse 14 an dieser Stelle untergreift und derart die Schaltspindel
24 in der einen axialen Richtung gegen ungewolltes Verschieben sichert. Auf der gegenüberliegenden
Seite ist als Sicherung gegen axiales Verschieben eine Anlagescheibe 46 angebracht,
die über einen Sprengring 48 in ihrer Lage gegenüber dem Vierkant 38 der Schaltspindel
24 gesichert ist. Die dahingehende Anlagescheibe 46 wirkt mit einem Anschlagstift
50 zusammen, der den Schwenkweg der Schaltspindel 24 begrenzt und dergestalt eine
sinnfällige Betätigung der Schaltkugel 10 von ihrer in der Fig.1 gezeigten freigebenden
Stellung in eine sperrende Stellung (nicht dargestellt) ermöglicht.
[0015] Die Schaltkugel 10 gleitet betätigt durch die Schaltspindel 24 freitragend zwischen
zwei Dichtschalen 52,54 und je nach Durchströmungsrichtung wird die Schaltkugel 10
mit ihrem Außenumfang verstärkt an die eine Dichtschale 52 oder an die andere Dichtschale
54 mit ihrer zuordenbaren Anlagefläche gepreßt. Kommt es demgemäß an den Dichtschalen
52,54 zu einem erhöhten Verschleiß durch eine Vielzahl von Schaltbewegungen an der
Schaltspindel 24, gleicht die Schaltkugel 10 dies aus, indem sie durch den Fluiddruck
aufgrund ihrer schwimmenden Anordnung entsprechend dichtend nachgestellt unter dem
Anpreßdruck des Fluids nach wie vor gegen die zugeordnete Dichtschale 52 oder 54 gepreßt
wird. Die dahingehende Nachjustierung erfordert jedoch sehr hohe Fluiddrücke, so dass
es bei einer Niederdruckanwendung dann zu entsprechenden Leckagestellen im Bereich
zwischen den Dichtschalen 52,54 und der Außenumfangsseite der Schaltkugel 10 kommt.
Auch ist diese bekannte Anordnung nach der Fig.1 für sehr hohe Schaltfrequenzen an
der Schaltspindel 24 nicht geeignet, da dies nach kürzester Zeit zu einem Versagen
am weiteren Dichtsystem 30 führt, das im übrigen zumindest teilweise auch eine Art
Lagerstelle für die Schaltspindel 24 ausbildet.
[0016] Ausgehend von diesem Stand der Technik nach der Fig.1 wird nachfolgend die erfindungsgemäße
Kugelhahn - Lösung anhand der Fig.2 näher erläutert, wobei diejenigen Bauteile, die
von ihrer Funktion her den Bauteilen im Stand der Technik nach der Fig.1 entsprechen,
mit denselben Bezugszeichen wiedergegeben sind. Demgemäß wird die erfindungsgemäße
Kugelhahn - Lösung nur noch insoweit erläutert, als sie sich wesentlich von der Lösung
im Stand der Technik nach der Fig.1 unterscheidet.
[0017] Der erfindungsgemäße Kugelhahn nach der Fig.2 ist besonders geeignet bei Anwendungsfällen
mit hoher Schaltfrequenz für die Antriebsspindel 24 und die Schaltkugel 10 sowie für
relativ niedere Drücke (maximal 100 bar) bezogen auf den fluidführenden Weg 12 innerhalb
des Ventilgehäuses 14.
[0018] Die erfindungsgemäße Kugelhahn - Lösung ist dadurch charakterisiert, dass das weitere
Dichtsystem 30 für die Schaltspindel 24 aus zwei Lippendichtungen 56,58 gebildet ist,
die jeweils ringförmig die Schaltspindel 24 außenumfangsseitig umfassen. Lippendichtungen
werden in der Regel mit innerem und äußerem Unter- bzw. Übermaß hergestellt, wodurch
sich die erforderliche Vorspannung beim Einbau ergibt. Demgemäß stützt sich die innenumfangsseitige
Lippe 60 einer jeden Lippendichtung 56,58 am Außenumfang der Schaltspindel 24 ab und
die außenumfangsseitige Lippe 62 an der Innenseite des Ventilgehäuses 14. Demgemäß
verläuft eine Nut 64 der jeweiligen Lippendichtung 56,58 zwischen den beiden Lippen
60,62 der Dichtung und weist mit ihrer Nutöffnung in Richtung der Schaltkugel 10.
[0019] Die jeweilige Lippendichtung 56,58 ist mit einem vorgebbaren axialen Bewegungsspiel
66 innerhalb einer Dichtkammer 68 im Ventilgehäuse 14 angeordnet, wobei die jeweilige
Lippendichtung 56,58 sich auf ihrer, der Ringnutöffnung abgewandten Seite an einem
Abstützring 34a,b, insbesondere aus einem Kunststoffmaterial gebildet, abstützt. Bezogen
auf die Längsachse 26 der Schaltspindel 24 sind in koaxialer Übereinanderanordnung
die beiden Lippendichtungen 56,58 angeordnet, von denen der der Ventilkugel 10 benachbart
gegenüberliegende Lippendichtring 58 im Durchmesser kleiner gewählt ist als der darüberliegende
Lippendichtring 56. Des weiteren sind die beiden Lippendichtungen 56,58 mit ihren
zugeordneten Abstützringen 34a,b über ein Distanzmittel, insbesondere in Form eines
in das Ventilgehäuse 14 eingreifenden Sicherungsringes 68, voneinander getrennt. Sofern
man die Dicht- und Anpreßkräfte für die Lippen 60,62 einer jeden Lippendichtung 56,58
erhöhen möchte, kann bei einer nicht näher dargestellten Ausführungsform vorgesehen
sein, in die jeweilige Ringnut 64 ein Federelement anzuordnen, das die jeweiligen
Lippen 60,62 voneinander wegdrückt. Es hat sich in praktischen Versuchen gezeigt,
dass mit den Lippendichtungen 56,58 des weiteren Dichtsystems 30 eine sehr gut abdichtende
Spindeldichtung erreicht ist, die auch bei sehr hohen Schaltfrequenzen mit der Schaltspindel
24 über lange Zeit hinweg eine sichere Abdichtung des Kugelhahnes ermöglicht.
[0020] Auf der Oberseite des Ventilgehäuses 14 ist ein Pneumatikmotor 70 angeordnet, der
in üblicher und daher nicht näher beschriebener Art und Weise über den Vierkant 38
die Drehbewegung der Schaltspindel 24 erlaubt, um dergestalt die Schaltkugel 10 aus
einer den fluidführenden Weg 12 sperrenden in eine freigebende Stellung und umgekehrt
zu bewegen. Dabei ist die Schaltspindel 24 an ihrem oberen freien Ende in einem axial
abstützenden Rollenlager 72 drehbar geführt, wobei die Teile der oberen Lagerschale
74 in das Gehäuse des Preß- oder Druckluftmotors 70 fest eingepreßt sind, wohingegen
die weitere untere Lagerschale 76 mit ihren Komponenten an einer absatzweisen Verjüngung
78 der Schaltspindel 24 angeordnet ist. Zwischen den unteren Lagerschalenteilen 76
und dem in Blickrichtung auf die Fig.2 gesehen oberen Abstützring 34a ist ein weiterer
Dichtring 80 angeordnet, der im Querschnitt im wesentlichen rechteckförmig ist. Mit
dem dahingehenden axial abstützenden Rollenlager 72 ist zum einen partiell eine Entlastung
des weiteren Dichtsystems 30 mit den beiden Lippendichtungen 56,58 erreicht und insbesondere
besteht die Möglichkeit, wesentliche Ventilbaugruppen in Edelstahl auszuführen und
über das Rollenlager 72 ist erreicht, dass Edelstahl nicht auf Edelstahl reiben kann.
Eine dahingehende Edelstahl - Ausbildung des Gesamtventils ist insbesondere dann wünschenswert,
wenn dieses im Bereich von Meerwasser-Entsalzungsanlagen eingesetzt wird.
[0021] Wie sich des weiteren aus der Fig.2 ergibt, ist die Dichtschale 54 außenumfangsseitig
mit einem O-Dichtring 82 versehen. Die Dichtschale 54 wird über einen Federspeicher
84, der sich in einer außenumfangsseitigen Nut zwischen der Innenseite des Ventilgehäuses
14 und der Dichtschale 54 erstreckt, in Richtung der Schaltkugel 10 gepreßt, die sich
dann wiederum an der weiteren Dichtschale 52 in dichtender Weise abstützen kann. Der
dahingehende Federspeicher 84 ist über eine übliche Federscheibe gebildet und unabhängig,
in welcher Richtung das Fluid die Schaltkugel 10 längs des fluidführenden Weges 12
durchquert, ist über den Federspeicher 84 der notwendige dichtende Anpreßdruck der
Schaltkugel 10 an den beiden Dichtschalen 52,54 erreicht. Kommt es nun aufgrund hoher
Schaltfrequenz zu einem Verschleiß an den Dichtschalen 52,54, wird der dahingehende
Verschleißweg über den Federspeicher 84 ausgeglichen, der die Dichtschalen 52,54 in
Anlage an der Schaltkugel 10 hält, auch wenn der Fluiddruck niedrig ist. Des weiteren
ist die Dichtschale 54 zum Ventilgehäuse 14 über einen O-Ring 86 abgedichtet, der
sich in einer Außenumfangsnut der Dichtschale 54 erstreckt.
[0022] Mit dem beschriebenen, erfindungsgemäßen Aufbau des Kugelhahnes ist dieser also sowohl
im Bereich der Schaltkugel 10 dicht ausgeführt als auch im Bereich der Schaltspindel
24, wobei die Leckagedichtheit in jedem Betriebszustand vorliegt, also auch bei sehr
hohen Schaltfrequenzen für die Schaltkugel 10 sowie bei sehr niederen Fluiddrücken
innerhalb des fluidführenden Weges 12 im Ventilgehäuse 14.
1. Kugelhahn mit einer Schaltkugel (10) zum wahlweisen Sperren oder Freigeben eines fluidführenden
Weges (12) innerhalb eines Ventilgehäuses (14), in dem die Schaltkugel (10) über ein
Dichtsystem (22) drehbar geführt und mittels einer Schaltspindel (24) betätigbar ist,
die das Ventilgehäuse (14) durchgreift, und die über ein weiteres Dichtsystem (30)
gleichfalls drehbar im Ventilgehäuse (14) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Dichtsystem (30) für die Schaltspindel (24) mindestens eine Lippendichtung
(56,58) aufweist, die die Schaltspindel (24) umfaßt.
2. Kugelhahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innenumfangsseitige Lippe (60) der jeweiligen Lippendichtung (56,58) sich an
der Schaltspindel (24) und die außenumfangsseitige Lippe (62) am Ventilgehäuse (14)
abstützt und dass eine Ringnut (64) der Lippendichtung (56,58) zwischen den beiden
Lippen (60,62) der Dichtung verläuft und mit ihrer Nutöffnung in Richtung der Schaltkugel
(10) weist.
3. Kugelhahn nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Lippendichtung (56,58) mit einem axialen Bewegungsspiel (66) innerhalb
einer Dichtkammer (68) im Ventilgehäuse (14) angeordnet ist und dass die jeweilige
Lippendichtung (56,58) sich auf ihrer der Ringnutöffnung abgewandten Seite an einem
Abstützring (34a,b), insbesondere aus Kunststoffmaterial, abstützt.
4. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf die Längsachse (26) der Schaltspindel (24) in axialer Übereinanderanordnung
zwei Lippendichtungen (56,58) angeordnet sind, von denen der der Ventilkugel (10)
benachbart gegenüberliegende Lippendichtring (58) im Durchmesser kleiner gewählt ist
als der darüberliegende Dichtring (56).
5. Kugelhahn nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Lippendichtungen (56,58) mit ihren zugeordneten Abstützringen (34a,b)
über ein Distanzmittel, insbesondere in Form eines in das Ventilgehäuse (14) eingreifenden
Sicherungsringes (68), voneinander getrennt sind.
6. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Ringnut (64) einer Lippendichtung (56,58) ein Federelement anordenbar
ist.
7. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltspindel an ihrem der Schaltkugel (10) abgewandten Ende in einem axial abstützenden
Rollenlager (72) drehbar geführt ist.
8. Kugelhahn nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtsystem (22) der Schaltkugel (10) mindestens zwei Dichtschalen (52,54) aufweist,
von denen mindestens eine (54) mittels eines Energiespeichers, insbesondere in Form
eines Federspeichers (84), gegen die Schaltkugel (10) in jeder ihrer Schaltstellungen
gedrückt ist.